海上风电工频与低频混合送出系统及控制方法与流程

本发明属于电力电子，具体涉及一种海上风电工频与低频混合送出系统及控制方法。

背景技术：

1、目前，海上风电场的建设逐渐由近距离、小容量向着深远海、大规模方向发展。当海上风电场离岸超过一定距离后，采用传统的工频交流输电方式存在着海缆等效电容消耗无功功率过大的问题，此时，采用柔性低频输电方式是一种更为经济有效的手段。

2、柔性低频输电方式选取20hz左右的频率进行电能传输，由于输电频率显著低于工频输电方式，低频交流海缆充电功率小，可提升交流海缆的输电能力。同时，与柔性直流输电方式相比，柔性低频输电具备电流过零开断、易组网的优势，可利用风机直接输出低频电能，无须海上换流平台。因此，海上风电柔性低频交流输电方式兼具工频交流输电与柔性直流输电的优点，在中远距离海上风电送出场景具有优势。

3、然而，由于目前低频输电技术还不够成熟，关键低频设备还没有实现大规模生产应用，因此低频输电工程的建设成本偏高，仅在特定容量、特定输电距离条件下具备成本优势；而海上风电场的输电距离和输电容量往往受到多种因素限制，这导致单纯采用低频输电的适用场景十分有限，亟需提出优化设计方案，拓展海上风电低频输电技术的适用范围。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服在海上风电输电领域单纯采用低频输电建设成本过高的问题，提供一种海上风电工频与低频混合送出系统及控制方法，以拓展海上风电低频输电技术的适用范围。

2、为实现上述发明目的，根据本发明的第一个方面，本发明采取如下技术方案：

3、一种海上风电工频与低频混合送出系统，所述海上风电工频与低频混合送出系统包括：海上工频风电机组、海上低频风电机组、工频集电海缆、低频集电海缆、海上工频66kv开关设备、海上低频66kv开关设备、海上工频升压变压器、海上低频升压变压器、海上工频220kv开关设备、海上工频高压电抗器、海上低频220kv开关设备、海上低频站用变压器、海上低频站用电变频器、工频送出海缆、低频送出海缆、陆上工频高压电抗器、陆上低频220kv开关设备、陆上低频换流变压器、陆上低频66kv开关设备、陆上换频阀、陆上启动电阻、陆上工频66kv开关设备、陆上工频换流变压器、陆上工频220kv开关设备、陆上工频站用变压器、陆上220kv工频母线；

4、所述海上工频风电机组通过工频集电海缆汇集后，通过海上工频66kv开关设备与海上工频升压变压器相连，升压至220kv后通过海上工频220kv开关设备与工频送出海缆相连，海上工频高压电抗器也接入工频送出海缆；海上低频风电机组通过低频集电海缆汇集后，通过海上低频66kv开关设备与海上低频升压变压器相连，升压至220kv后通过海上低频220kv开关设备与低频送出海缆相连；低频送出海缆登陆后通过陆上低频220kv开关设备与陆上低频换流变压器相连，降压至66kv后通过陆上低频66kv开关设备与陆上换频阀相连、在陆上换频阀变频至工频后，通过陆上启动电阻及陆上工频66kv开关设备与陆上工频换流变压器相连，升压至220kv后通过陆上工频220kv开关设备接入陆上220kv工频母线；工频送出海缆登陆后通过陆上工频220kv开关设备接入陆上220kv工频母线，陆上工频高压电抗器接入工频送出海缆，陆上220kv工频母线接入陆上交流电网。

5、所述陆上换频阀采用m3c拓扑结构，m3c换频阀由三个换频模块构成，每个换频模块包含三个桥臂支路，整个m3c换频阀共由九个桥臂支路构成，每个桥臂支路由多个级联的全桥子模块及桥臂电感串联组成，m3c换频阀两侧的三相交流系统通过桥臂支路相联接，一侧系统的每一相分别通过三个桥臂支路连接至另一侧系统的三相。

6、所述海上工频升压变压器的10kv第三绕组作为第一路海上站用电源；海上低频升压变压器的10kv第三绕组经过海上低频站用变压器降压至0.4kv，再经过海上低频站用电变频器变频至工频，作为第二路海上站用电源；陆上工频站用变压器通过陆上工频220kv开关设备接入陆上220kv工频母线，作为陆上站用电源。

7、为实现上述发明目的，根据本发明的第二个方面，本发明采取如下技术方案：

8、一种海上风电工频与低频混合送出系统控制方法，实现所述控制方法的控制系统包括：低频交流电压控制模块、低频电流控制模块、低频park反变换模块、低频内部环流控制模块、工频锁相环模块、工频无功功率参考值计算模块、工频电容电压及无功功率控制模块、工频电流控制模块、工频park反变换模块、工频内部环流控制模块、桥臂电压计算模块、调制模块；

9、所述低频交流电压控制模块，对低频d、q轴电压ugdq1的通过pi控制器进行控制，使其分别跟随给定的参考值ugd1ref及ugq1ref，低频交流电压pi控制器的输出经过限幅环节后，分别作为d、q轴电流的参考值ivd1ref和ivq1ref；

10、所述低频电流控制模块，对低频d、q轴电流ivdq1采用pi控制器进行控制，使其跟随参考值ivdq1ref，低频电流pi控制器的输出作为低频输出电压uvdq1；

11、所述低频park反变换模块，对低频输出电压uvdq1进行park反变换，得到静止三相坐标系中的低频输出电压uvαβ1，低频park反变换采用的角度为低频电网电压参考相位θr1；

12、所述低频内部环流控制模块，将低频内部环流icαβ1作为控制器的反馈值，无需对其进行旋转坐标变换，在静止坐标系下即可实现控制，低频内部环流控制器的输出作为低频内部环流电压ucαβ1；

13、所述工频锁相环模块，根据工频电网电压ugabc2，计算得到工频电网电压相位θg2；

14、所述工频无功功率参考值计算模块，根据工频输电系统的无功功率缺额，计算得到工频无功功率参考值qg2ref；

15、所述工频电容电压和无功功率控制模块，对工频电容电压平均值uc，和工频无功功率qg2通过pi控制器进行控制，使其分别跟随给定的参考值ucref及qg2ref，工频电容电压和无功功率pi控制器的输出经过限幅环节后，分别作为d、q轴电流的参考值ivd2ref和ivq2ref；

16、所述工频电流控制模块对工频d、q轴电流ivdq2采用pi控制器进行控制，使其跟随参考值ivdq2ref，工频电流pi控制器的输出作为工频输出电压uvdq2；

17、所述工频park反变换模块，对工频输出电压uvdq2进行park反变换，得到静止三相坐标系中的工频输出电压uvαβ2，工频park反变换采用的角度为工频电网电压相位θg2；

18、所述工频内部环流控制模块，将工频内部环流icαβ2作为控制器的反馈值，无需对其进行旋转坐标变换，在静止坐标系下即可实现控制，工频内部环流控制器的输出作为工频内部环流电压ucαβ2；

19、所述桥臂电压计算模块，利用低频输出电压uvdq1、低频内部环流电压ucαβ1、工频输出电压uvdq2、工频内部环流电压ucαβ2，计算得到m3c换频阀九个桥臂的参考电压；

20、所述调制模块，根据m3c换频阀九个桥臂的参考电压生成调制指令，实现对m3c换频阀的控制。

21、本发明的有益效果是：

22、通过采用本发明的技术方案，针对不同的输电容量，采用工频与低频输电相结合的输电方式，能够充分利用低频输电在特定输电容量下优势区间的输电，而剩余容量则能够采用工频输电方式送出，提高低频输电的适用范围，不仅能够充分利用低频和工频系统的输电能力，还能够利用低频陆上换频阀为工频输电系统提供无功功率支撑，从而无需配置额外的动态无功补偿装置，实现整体工程的优化设计。